DNA Sebagai Materi Genetik

Pada tahun 1930an para ahli mempelajari susunan kimia gen melalui pendekatan biofisik dan biokimia, yang kemudian berkembang melahirkan cabang ilmu baru yang disebut Biologi Molekular. Keterkaitan antara Genetika dan Biologi Molekular memunculkan istilah Genetika Molekular, yaitu ilmu yang mempelajari tentang seluk beluk gen.

Gen terletak pada kromosom. Komponen kimiawi kromosom, DNA dan protein, perlu pembuktian yang mana yang merupakan materi genetik. Seorang ahli kesehatan dari Inggris, Frederick Griffith, mempelajari penyebab penyakit pneumonia pada mamalia, yaitu bakteri Streptococcus pneumoniae. Dia mempunyai 2 strain bakteri, yaitu yang dapat menyebabkan penyakit dan lainnya tidak. Bakteri penyebab penyakit, ada 3 tipe, tipe I, II dan III, mempunyai ciri spesifik, yaitu adanya kapsul yang menyelubungi seluruh sel. Selubung kapsul menyebabkan permukaan bakteri tersebut halus (smooth). Bakteri ini disebut juga bakteri tipe S (singkatan dari smooth). Bakteri yang tidak berbahaya, mempunyai permukaan sel yang kasar, karena tidak diselubungi oleh kapsul. Bakteri ini disebut bakteri tipe R (singkatan dari rough).

Percobaan Griffith

Percobaan Griffith memberikan penjelasan awal tentang adanya sesuatu (gen?) yang dapat berpindah dan menyebabkan terjadinya perubahan pada sel tersebut. Empat percobaan yang dilakukan Griffith adalah sebagai berikut :

1. Tikus setelah disuntik dengan kultur bakteri tipe S (bakteri virulen) akan mati
2. Tikus lain disuntik dengan bakteri nonpatogen tipe R, tikus tetap sehat tidak mati
3. Percobaan lainnya, bakteri tipe S dimatikan dengan pemanasan 60 oC selama 3 jam, kemudian disuntikkan pada tikus, ternyata tikus tersebut tetap sehat. Kesimpulan dari percobaan ini adalah bakteri virulen S akan menyebabkan penyakit pada tikus, apabila dalam keadaan hidup .
4. Percobaan terakhir, Griffith mencampur bakteri tipe S yang telah mati karena pemanasan dengan bakteri tipe R, kemudian disuntikan pada tikus. Tikus percobaan sakit, dan dari hasil otopsi, ditemui banyak bakteri tipe S pada tikus tersebut. Ada substansi yang berasal dari bakteri tipe S yang sudah mati, mengubah sel bakteri tipe R menjadi bentuk bakteri virulen (tipe S).

Sifat patogenitas yang dimiliki bakteri tipe R ini ternyata diwariskan ke semua keturunannya. Griffith belum mengetahui substansi yang menyebabkan perubahan yang diwariskan. Fenomena ini disebut transformasi, yaitu perubahan genotip dan fenotip yang disebabkan oleh asimilasi DNA eksternal.

Prinsip transformasi

Percobaan Griffith dilanjutkan oleh Oswald Avery, Colin MacLeod dan McCarty, 14 tahun kemudian. Bersama-sama teman-temannya dia menggunakan kultur bakteri tipe S yang telah mati karena pemanasan. Mereka memecah sel bakteri dengan detergen dan menggunakan sentrifus memisahkan komponen sel (ekstrak sel) dengan penyusun sel lainnya. Ekstrak sel bakteri tersebut kemudian diinkubasi bersama kultur bakteri R yang hidup, kemudian ditumbuhkan pada media kultur di petridish. Adanya pertumbuhan bakteri S pada media kultur menunjukkan bahwa ekstrak mengandung prinsip transformasi, yaitu materi genetik dari bakteri S mengubah bakteri R menjadi bakteri S. Avery dkk menduga bahwa satu diantara komponen makromolekul yang terdapat di dalam ekstrak-- polisakarida, protein, RNA, dan DNA adalah penyebab transformasi.

Untuk menentukan penyebab transformasi, komponen penyusun sel dirusak satu per satu dengan menggunakan enzim yang spesifik untuk substansi tersebut. Contoh : untuk merusak protein menggunakan enzim protease, untuk merusak RNA menggunakan enzim ribonuklease. Hasil percobaan Avery dkk membuktikan bahwa degradasi komponen– komponen penyusun sel tidak menghalangi berlangsungnya prinsip transformasi, kecuali ketika molekul DNA dirusak dengan menggunakan enzim deoksiribonuklease.

Percobaan Oswald Avery dkk

Versi modern percoban transformasi Avery

Bukti lain bahwa DNA merupakan materi genetik dapat dipelajari dari bakteriofag atau faga, yaitu virus yang menginfeksi bakteri. Komponen virus terdiri dari DNA (atau RNA pada virus tertentu) dan protein yang menyelubunginya. Untuk memperbanyak diri, virus harus menginfeksi sel dan mengambil alih perangkat metabolisme sel tersebut. Bakteriofag artinya pemakan bakteri. Materi genetik dari bakteriofag yang dikenal sebagai T2 itu adalah DNA. Alfred Hershey dan Martha Chase menyebutkan T2 merupakan salah satu dari faga yang menginfeksi bakteri Escherichia coli (E. coli) yang hidup di usus mamalia. Seperti virus lainnya T2, terdiri dari DNA dan protein. Melalui E.coli, T2 bisa memperbanyak diri, sehingga disebutkan bahwa E.coli sebagai pabrik penghasil T2 yang dilepas ketika sel itu pecah. T2 dapat memprogram sel inang (E.coli) untuk memproduksi virus, tetapi belum diketahui bagian mana dari virus tersebut yang berperan program tersebut, protein atau DNA.

Hershey dan Chase melakukan percobaan untuk membuktikan bagian mana dari dua komponen penyusun T2 yang masuk ke dalam sel bakteri. Dalam percobaan ini mereka menggunakan isotop radio aktif yang berbeda untuk menandai DNA dan protein. Pertama kali, T2 ditumbuhkan dengan E.coli dalam sulfur radio aktif (35S). Karena protein mengandung sulfur, atom-atom radio aktif ini hanya masuk ke dalam protein faga tersebut. Dengan cara yang serupa, kultur T2 yang berbeda ditumbuhkan dalam fosfor radio aktif ( 32P).

Karena DNA mengandung fosfor, bukan protein, maka fosfor radio aktif akan melekat pada DNA. Kedua macam kultur mengandung T2 yang sudah berlabel radio aktif tersebut kemudian dibiakkan secara terpisah bersama kultur E. Coli yang non radio aktif. Setelah terjadi infeksi, kultur diblender untuk melepaskan bagian faga yang terdapat di luar sel bakteri. Hasil blender kemudian diputar dengan sentrifus, sehingga ada bagian sel yang membentuk pelet di dasar tabung sentrifus. Bagian lainnya yang lebih ringan berada di dalam cairan (supernatan).

Dari hasil pengamatan radioaktivitas di dalam pelet dan supernatan, dapat dibuktikan bahwa bakteri yang terinfeksi faga T2 yang berlabel radioaktif pada proteinnya, sebagian radioaktifnya ditemukan di dalam supernatan yang mengandung partikel-partikel virus. Hasil ini membuktikan bahwa protein faga tidak memasuki sel inang. Pada bakteri yang terinfeksi faga T2 yang DNA-nya ditandai dengan fosfor radioaktif, hasil peletnya yang merupakan materi bakteri, sebagian besar mengandung unsur radioaktif tersebut. Ketika bakteri tersebut dikembalikan ke dalam kultur, infeksi terus berjalan, dan melepaskan faga-faga yang mengandung fosfor radioaktif.

Hershey dan Chase menyimpulkan bahwa DNA virus masuk ke dalam sel inang, sementara sebagian besar protein tetap berada di luar. Masuknya molekul DNA ini menyebabkan sel-sel memproduksi DNA dan protein virus baru. Peristiwa ini membuktikan bahwa asam nukleat merupakan materi herediter, bukan protein.

Percobaan Hershey – Chase

Pada umumnya organisme memiliki DNA sebagai materi genetiknya, tetapi sebagian virus yang menginfeksi bakteri, hewan maupun tumbuhan bukan DNA melainkan RNA yang merupakan pembawa informasi genetik. TMV (Tobacco Mosaic Virus) adalah virus penyebab penyakit pada tanaman tembakau yang memiliki RNA, bukan DNA, sebagai materi genetiknya. Komponen lain yang menyusun TMV adalah protein yang bersama RNA membentuk konfigurasi spiral (helikal).

Pada tahun 1956, A Gierer dan G. Schramm melakukan percobaan menginokulasi RNA murni (tanpa protein) dari TMV pada tanaman tembakau, penyebab penyakit pada daun yang sangat spesifik disebabkan oleh virus tersebut. Percobaan ini kemudian dilanjutkan oleh H. Fraenkel-Conrat dan B. Singer pada tahun 1957. Mereka memisahkan RNA dan protein dari strain TMV yang berbeda. RNA dan protein tersebut kemudian di rekonstruksi dengan pasangan yang RNA dan protein dari strain yang berlainan. Kedua hasil hibrida virus ini kemudian diinfeksikan pada daun tanaman tembakau. Isolasi virus dari daun yang terinfeksi menunjukkan bahwa gejala penyakit yang disebabkan hibrida virus tersebut sangat spesifik dengan RNA dari strain TMVnya, bukan proteinnya. Dari percobaan ini dapat ditarik kesimpulan bahwa pada TMV, RNA adalah materi genetik.